一種高空風(fēng)能發(fā)電系統(tǒng)和一種高空風(fēng)能發(fā)電氣囊的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種高空風(fēng)能發(fā)電系統(tǒng)和一種高空風(fēng)能發(fā)電氣囊，屬于高空風(fēng)能發(fā)電領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]空氣運(yùn)動(dòng)具有動(dòng)能?？諝庠趩挝粫r(shí)間(I秒)流經(jīng)單位面積(I平方米)時(shí)，則空氣具有的風(fēng)功率密度為P = 1/2*pv3。其中，P為該處空氣的密度，V為該處空氣的流動(dòng)速度。
[0003]高空的風(fēng)速遠(yuǎn)高于地面，且風(fēng)速較少受地形地貌影響，風(fēng)能穩(wěn)定，故高空的風(fēng)能密度遠(yuǎn)高于地面，可以是低空風(fēng)能密度的十倍至百倍。而利用高空風(fēng)能進(jìn)行發(fā)電目前仍基本處于試驗(yàn)狀態(tài)。
[0004]利用高空風(fēng)能發(fā)電技術(shù)歸納起來(lái)，可以分為三大類:
[0005]—類是利用氦氣球、熱氣球、飛艇等升力作用，將發(fā)電機(jī)升到半空中，在高空中利用豐富的風(fēng)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，之后通過(guò)電纜傳到地面電網(wǎng)。
[0006]該類技術(shù)路線的缺陷主要是發(fā)電功率受限制，發(fā)電機(jī)功率增加，重量一般也會(huì)增加，升空難度加大;此外，由于系統(tǒng)整體較重，發(fā)電機(jī)組很難升到千米以上的高度，同時(shí)因?yàn)榘l(fā)電系統(tǒng)位于高空無(wú)法通過(guò)變壓器升壓，大功率情況下勢(shì)必使用大電流輸電，所以必須使用直徑較粗的導(dǎo)線，這無(wú)疑又加大了整個(gè)系統(tǒng)的重量。加之氦氣球隨著升空高度的提升，空氣密度下降，氦氣球所受浮力下降。這些原因限制了該類技術(shù)路線的公司設(shè)備上升高度，并且氣球類技術(shù)路徑的風(fēng)電設(shè)備升空高度多分布在300至500米的范圍內(nèi)；另外，充氦氣需要成本，氦氣球?qū)τ跉饽业牟馁|(zhì)要求較高，以防止氦氣過(guò)多泄漏。
[0007]這一技術(shù)路線的典型代表為Altaerosenergies的高空風(fēng)電系統(tǒng)“空中浮動(dòng)禍輪”(BAT)。發(fā)電機(jī)被裝在一個(gè)巨大的充氦飛艇里，上升高度約為300米左右，BAT利用高空的高速風(fēng)流，發(fā)電量比地面風(fēng)力發(fā)電裝置高一倍。
[0008]另一類技術(shù)路徑是將發(fā)電機(jī)組固定在地面，通過(guò)巨型“風(fēng)箏”或固定翼飛行器，在空中利用風(fēng)能拉動(dòng)地面發(fā)電機(jī)組，從而將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，帶動(dòng)地面的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)化為電能，從而解決電纜和發(fā)電機(jī)的自重問(wèn)題。
[0009]意大利KiteGen的MARS(Magenn AirRotor System)系統(tǒng)是該類技術(shù)路線的典型代表。MARS系統(tǒng)主要由高空的拖曳風(fēng)箏和地面的發(fā)電設(shè)備兩部分組成。拖曳風(fēng)箏和地面的風(fēng)力發(fā)電機(jī)相連，并通過(guò)安裝在發(fā)電設(shè)備上的航空感應(yīng)器來(lái)控制風(fēng)箏旋轉(zhuǎn)的方向和路徑，以最大限度帶動(dòng)地面發(fā)電機(jī)旋轉(zhuǎn)并發(fā)電。該類技術(shù)路線的最大難點(diǎn)在于控制發(fā)電系統(tǒng)的穩(wěn)定性。另外，有的風(fēng)箏采用傘形結(jié)構(gòu)，降落傘的圓形對(duì)稱結(jié)構(gòu)有利于提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。利用高空風(fēng)能做上下運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生的機(jī)械能拉動(dòng)地面發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)化為電能。空中系統(tǒng)只需要改變高度即可，空中控制系統(tǒng)存在自穩(wěn)定特點(diǎn)，容易控制飛行姿態(tài)。系統(tǒng)做功過(guò)程只是上下運(yùn)動(dòng)，不會(huì)有“亂跑”的問(wèn)題，控制的難點(diǎn)在于對(duì)處于高空的降落傘的收傘和放傘操作。
[0010]第三類為用纜繩系留于地面的旋翼機(jī)，其旋翼為整個(gè)裝置提供升力并發(fā)電。該方式實(shí)際上是一個(gè)停留在空中的發(fā)電平臺(tái)，在上面安裝了多個(gè)常規(guī)的旋翼。旋翼在風(fēng)速高時(shí)，發(fā)電并提供升力；當(dāng)風(fēng)速較低時(shí)，旋翼機(jī)產(chǎn)生的升力不足以使發(fā)電裝置升在空中，可以通過(guò)電力電纜從地面向系統(tǒng)送電，從而使旋翼機(jī)以電動(dòng)直升機(jī)方式運(yùn)行，以產(chǎn)生足夠的升力。升降作業(yè)時(shí)，同樣以電動(dòng)直升機(jī)方式運(yùn)行提供升力。該種方式優(yōu)點(diǎn)突出，但成本相對(duì)較高。
[0011]第一、第三種采用空中發(fā)電平臺(tái)的方式，發(fā)電裝置的尺寸和重量大，電壓輸出低，電流大，連接地面的電力電纜的截面尺寸大，自重大，這些因素共同影響裝置的升空能力，限制單機(jī)容量的提尚。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0012]本發(fā)明的目的是提供一種高空風(fēng)能發(fā)電系統(tǒng)，用以解決傳統(tǒng)的高空發(fā)電裝置均存在一定缺陷的問(wèn)題。本發(fā)明同時(shí)提供一種高空風(fēng)能發(fā)電氣囊。
[0013]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的方案包括一種高空風(fēng)能發(fā)電系統(tǒng)，所述發(fā)電系統(tǒng)包括至少一個(gè)高空風(fēng)能發(fā)電裝置，所述發(fā)電裝置包括傘形風(fēng)箏和高空發(fā)電部分，所述高空發(fā)電部分由渦輪機(jī)和發(fā)電機(jī)構(gòu)成，所述傘形風(fēng)箏的前端至后端呈漸縮結(jié)構(gòu)，所述風(fēng)箏的后端開口，所述開口處固定設(shè)置所述渦輪機(jī)，該渦輪機(jī)與發(fā)電機(jī)機(jī)械傳動(dòng)連接，所述發(fā)電機(jī)具有用于連接電纜或者用于通過(guò)無(wú)線輸電方式將電能輸出到地面的電能輸出端，所述電纜用于將發(fā)出的電能輸出到地面；
[0014]當(dāng)發(fā)電系統(tǒng)包括至少兩個(gè)高空風(fēng)能發(fā)電裝置時(shí)，所有的高空風(fēng)能發(fā)電裝置中的發(fā)電機(jī)串聯(lián)設(shè)置。
[0015]所述傘形風(fēng)箏的開口的后端設(shè)置有一個(gè)氣囊，該氣囊的前端與所述傘形風(fēng)箏的后端固定設(shè)置，所述氣囊具有一個(gè)前端至中端呈漸縮結(jié)構(gòu)、中端至后端呈漸擴(kuò)結(jié)構(gòu)的通風(fēng)通道，所述渦輪機(jī)設(shè)置在所述中端處。
[0016]發(fā)電機(jī)與渦輪機(jī)前后設(shè)置，發(fā)電機(jī)設(shè)置在渦輪機(jī)的前方，且發(fā)電機(jī)與渦輪機(jī)同軸設(shè)置。
[0017]所述傘形風(fēng)箏上固定布置有至少一個(gè)用于在傘形風(fēng)箏升空時(shí)提供升力、在傘形風(fēng)箏落地時(shí)提供緩沖的輔助氣囊或者輔助風(fēng)箏。
[0018]所述發(fā)電機(jī)的前端和后端設(shè)置有整流罩，發(fā)電機(jī)與渦輪機(jī)之間設(shè)置有用于通風(fēng)的間隙。
[0019]所述發(fā)電機(jī)設(shè)置在所述開口的前端，所述渦輪機(jī)設(shè)置在所述開口的后端，所述渦輪機(jī)的后端設(shè)置有一個(gè)呈漸擴(kuò)結(jié)構(gòu)的喇叭形排風(fēng)口。
[0020]所述發(fā)電系統(tǒng)還包括地面卷?yè)P(yáng)裝置，所述地面卷?yè)P(yáng)裝置通過(guò)纜繩與發(fā)電裝置中的傘形風(fēng)箏連接。
[0021]—種高空風(fēng)能發(fā)電氣囊，包括氣囊本體和高空發(fā)電部分，所述高空發(fā)電部分由渦輪機(jī)和發(fā)電機(jī)構(gòu)成，所述氣囊本體具有一個(gè)前端至中端呈漸縮結(jié)構(gòu)、中端至后端呈漸擴(kuò)結(jié)構(gòu)的通風(fēng)通道，所述渦輪機(jī)設(shè)置在所述中端處，所述渦輪機(jī)與發(fā)電機(jī)機(jī)械傳動(dòng)連接。
[0022]所述發(fā)電機(jī)與渦輪機(jī)前后設(shè)置，發(fā)電機(jī)設(shè)置在渦輪機(jī)的前方，且發(fā)電機(jī)與渦輪機(jī)同軸設(shè)置。
[0023]所述發(fā)電機(jī)的前端和后端設(shè)置有整流罩，發(fā)電機(jī)與渦輪機(jī)之間設(shè)置有用于通風(fēng)的間隙。
[0024]本發(fā)明提供的高空風(fēng)能發(fā)電系統(tǒng)具有以下有益效果，I)通過(guò)風(fēng)箏提供升力、并依靠自身的傘形特征形成高速風(fēng)，該高速風(fēng)能夠驅(qū)動(dòng)渦輪機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)而帶動(dòng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，以實(shí)現(xiàn)發(fā)電；發(fā)電裝置對(duì)渦輪機(jī)沒(méi)有嚴(yán)格要求，因?yàn)閭阈翁卣髂軌蛐纬筛咚亠L(fēng)，所以該發(fā)電系統(tǒng)適用于小型、輕量化的渦輪機(jī)，形成的高速風(fēng)能夠帶動(dòng)渦輪機(jī)做功，實(shí)現(xiàn)渦輪機(jī)的轉(zhuǎn)速高速化;并且，高速轉(zhuǎn)動(dòng)的渦輪機(jī)能夠帶動(dòng)發(fā)電機(jī)高速轉(zhuǎn)動(dòng)，所以，該發(fā)電裝置中的高空發(fā)電部分中不用設(shè)置用于提升轉(zhuǎn)速的變速裝置，只利用渦輪機(jī)和發(fā)電機(jī)即可進(jìn)行有效發(fā)電；2)由于發(fā)電機(jī)的輸出電壓與轉(zhuǎn)速成正比，所以高速轉(zhuǎn)動(dòng)的渦輪機(jī)可以提升發(fā)電機(jī)的輸出電壓，發(fā)電機(jī)的外形尺寸、定子用導(dǎo)體線徑無(wú)需做的很大，只需較小的尺寸和線徑即可滿足要求；由于發(fā)電機(jī)能夠輸出較高的電壓，所以空中發(fā)電部分中也無(wú)需設(shè)置變壓器等電壓轉(zhuǎn)換設(shè)備，有效降低空中部分的重量;并且，由于電壓越高，傳輸電流越小，所以，在高輸出電壓的基礎(chǔ)上，該裝置能夠有效降低傳輸電纜的線徑，進(jìn)一步降低發(fā)電裝置的重量，降低投入成本。所以，該發(fā)電系統(tǒng)的核心在于空中設(shè)備的風(fēng)速高速化、轉(zhuǎn)速高速化、電壓高壓化、重量輕量化、體積小型化，從而提高實(shí)用化程度。
[0025]并且，本發(fā)明提供的發(fā)電系統(tǒng)可以根據(jù)實(shí)際情況設(shè)置多個(gè)發(fā)電裝置，將所有的發(fā)電裝置中的發(fā)電機(jī)串聯(lián)設(shè)置，能夠極大提升發(fā)電電壓，不但能夠滿足大電壓的需求，而且也能進(jìn)一步降低傳輸電纜的線徑，降低空中設(shè)備的重量，降低投入成本。
[0026]另外，本發(fā)明還提供一種高空風(fēng)能發(fā)電氣囊，該氣囊包括氣囊本體和高空發(fā)電部分，高空發(fā)電部分由渦輪機(jī)和發(fā)電機(jī)構(gòu)成，氣囊本體具有一個(gè)前端至中端呈漸縮結(jié)構(gòu)、中端至后端呈漸擴(kuò)結(jié)構(gòu)的通風(fēng)通道，渦輪機(jī)設(shè)置在中端處，所述渦輪機(jī)與發(fā)電機(jī)機(jī)械傳動(dòng)連接。該發(fā)電氣囊具有一般氣囊的特性，通過(guò)內(nèi)部的氣體實(shí)現(xiàn)自動(dòng)升空的作用，并且該氣囊也具備一個(gè)漸縮漸擴(kuò)的通道，高空風(fēng)通過(guò)該通道能夠形成高速風(fēng)，與上述發(fā)電系統(tǒng)相似，該發(fā)電氣囊也適用于小型、輕量化的渦輪機(jī)，并且不用設(shè)置用于提升轉(zhuǎn)速的變速裝置，只利用渦輪機(jī)和發(fā)電機(jī)即可進(jìn)行有效發(fā)電；發(fā)電機(jī)的外形尺寸、定子用導(dǎo)體線徑無(wú)需做的很大，只需較小的尺寸和線徑即可滿足要求;無(wú)需設(shè)置變壓器等電壓轉(zhuǎn)換設(shè)備，有效降低空中部分的重量;能夠有效降低傳輸電纜的線徑，進(jìn)一步降低發(fā)電裝置的重量，降低投入成本。所以，該發(fā)電氣囊的核心同樣在于空中設(shè)備的風(fēng)速高速化、轉(zhuǎn)